Control of cytosolic pH homeostasis in the fungal plant pathogen Fusarium oxysporum

Abstract

pH is one of the most important environmental factors affecting development and virulence in fungi. In the soilborne vascular wilt fungus Fusarium oxysporum, pH acts as a master regulator of the conserved Fmk1 MAPK cascade, which is essential for invasive growth and pathogenicity on tomato plants. In addition, pH also modulates the activity of the cell wall integrity MAPK Mpk1 and the highosmolarity response MAPK Hog1. Recent studies have demonstrated that ambient pH modulates MAPK signaling via fluctuations on cytosolic pH (pHc) suggesting that pH-driven signaling responses are largely regulated by pHc. The essential H+- ATPase Pma1 is the most abundant protein in the plasma membrane and acts as the main regulator of pHc homeostasis in fungi. Here, we found that loss of casein kinase 1 (Ck1), a negative regulator of Pma1, resulted in increased Pma1 activity, reduced alkalinization of the surrounding medium as well as decreased hyphal growth. Importantly, the ck1Δ mutants were impaired in hyphal chemotropism towards plant roots and in pathogenicity on tomato plants. On the other hand, a F. oxysporum mutant carrying a temperature-sensitive pma1 allele (pma1ts) showed a significant decrease in Pma1 activity after a shift from the permissive to the restrictive temperature. Interestingly, live-cell imaging of fluorescently labelled Pma1 in F. oxysporum and the human pathogen Candida albicans revealed that this plasma membrane-localized H+-ATPase is excluded from the hyphal tip, suggesting a possible role in regulating polarized growth. Our studies revealed that fungal germ tubes can re-direct growth towards acidic pH in a Mpk1-dependent manner. Overall, these results shed light on the regulation of pHc by Pma1 and its role in development and virulence of fungal pathogens.

El pH es uno de los factores ambientales más importantes que afecta el proceso de desarrollo y virulencia en hongos. En el patógeno del suelo Fusarium oxysporum, causante de la marchitez vascular, el pH actúa como regulador maestro de Fmk1, una MAPK altamente conservada, esencial para el crecimiento invasivo y patogenicidad en plantas de tomate. Además, el pH también modula la actividad de las cascadas de señalización MAPK de respuesta a la integridad de la pared celular Mpk1 y de alta osmolaridad Hog1. Estudios recientes han demostrado que el pH ambiental modula la señalización de MAPK a través de fluctuaciones en el pH citosólico (pHc), lo que sugiere que las respuestas de señalización impulsadas por pH están ampliamente reguladas por pHc. La esencial H+-ATPasa Pma1 es la proteína más abundante en la membrana plasmática y actúa como principal regulador de la homeostasis pHc en hongos. Aquí nosotros encontramos que la pérdida de la caseína kinase 1 (Ck1), un regulador negativo de Pma1, caseína quinasa 1, resulta en una mayor actividad de Pma1 que conduce a una reducida alcalinización del medio circundante, así como un menor crecimiento de la hifa. Es importante destacar que los mutantes de ck1Δ exhiben defectos en el quimiotropismo de la hifa hacia las raíces de las plantas y en la patogenicidad en las plantas de tomate. Por otro lado, un mutante de F. oxysporum que presenta un alelo pma1 sensible a la temperatura (pma1ts) mostró una disminución significativa en la actividad de Pma1 tras un cambio de temperatura permisiva a restrictiva. Las imágenes de células vivas de Pma1 marcadas fluorescentemente en F. oxysporum y el patógeno humano Candida albicans revelaron que esta H+-ATPasa localizada en la membrana plasmática está excluida del extremo de la hifa, lo que sugiere un posible papel en la regulación del crecimiento polarizado. Nuestros estudios determinan que las germínulas pueden redirigir el crecimiento hacia el pH ácido de una manera dependiente de Mpk1. En general, estos resultados ayudan a comprender la regulación del pHc a través de Pma1 y su papel en el desarrollo y virulencia de patógenos fúngicos.